Standardmäßiges digitales Audio basiert auf einer einfachen Prämisse: Erfassen der Wellenform, Speichern der mathematischen Informationen und Wiederherstellen der Wellenform. Theoretisch ist es sauber. In Wirklichkeit handelt es sich um eine Reihe von Transformationen, die Rauschen, Verzerrungen und Phasenfehler verursachen.
Um zu verstehen, warum es 1-Bit-Digital-Analog-Wandler (DAC) gibt, müssen Sie die grundlegenden Mechanismen der digitalen Aufzeichnung verstehen. Das Ziel ist High Fidelity. Wir möchten, dass die Reproduktion so nah wie möglich am Originalsignal ist. Außerdem ist eine perfekte Reproduktion erforderlich. Egal wie oft Sie es angehört haben, es sollte jedes Mal gleich klingen, wenn Sie auf „Play“ klicken.
Digitales Audio erreicht dies durch die vollständige Eliminierung analoger Wellen. Stattdessen wandelt es die kontinuierliche Audiospannung in einen digitalen Strom um. Ein Analog-Digital-Wandler (ADC) übernimmt diese Erfassung. Ein Digital-Analog-Wandler (DAC) wandelt diese Zahlen in Lautsprecherspannungen um.
Dieser Prozess wird durch zwei Variablen bestimmt, die während der Probenahme gesteuert werden.
- Abtastrate: Die Anzahl der pro Sekunde aufgenommenen Wellenform-Schnappschüsse.
- Abtastgenauigkeit: Wie viele verschiedene Stufen (Quantisierungsschritte) es zwischen minimaler und maximaler Lautstärke gibt.
Stellen Sie sich einen hypothetischen Aufbau mit einer Abtastfrequenz von 1000 Hz und einer Auflösung von 10 Schritten vor.
Jede Millisekunde nimmt der ADC die aktuelle Spannung der Wellenform und rundet sie auf die nächste ganze Zahl zwischen 0 und 9. Diese ganzen Zahlen sind digitale Darstellungen. Der DAC versucht beim Abspielen die Kurven zu rekonstruieren. Das Ergebnis ist eine schrittweise Annäherung an die ursprüngliche Welle.
Dieser Schritt kann zu Artefakten führen. Es gibt Lärm. Es kommt zu Verzerrungen.
Ein 1-Bit-DAC eliminiert diese Komplexität. Es handelt sich nicht um eine exakte Darstellung. Ich versuche nicht, zu viele Dinge auf einmal zu tun. Verwenden Sie nur zwei Modi: Ein oder Aus. Ist es hoch oder niedrig? 1 oder Null.
1-Bit-Wandler verwenden Techniken namens Oversampling und Noise Shaping, indem sie die Abtastrate auf das Millionenfache der Audiofrequenz erhöhen. Es verschiebt das Quantisierungsrauschen vom hörbaren Bereich in das Ultraschallspektrum, wo es leicht herausgefiltert werden kann.
Das Ergebnis ist eine Wellenform, die sich völlig von der gestaffelten blauen Linie herkömmlicher DACs unterscheidet. Hierbei handelt es sich um einen rohen Strom hochfrequenter Impulse, der, wenn er vom Lautsprecher geglättet wird, einen sanften analogen Klang erzeugt.
Dieser Ansatz wird oft als Direct Stream Digital (DSD) bezeichnet. Es wurde von Sony und Philips für das Super-Audio-CD-Format entwickelt. Es ist nicht nur eine Möglichkeit, Daten anders zu speichern. Es geht um eine andere Philosophie im Umgang mit Lärm.
Herkömmliche Multibit-DACs (z. B. 16-Bit- oder 24-Bit-PCM) haben Probleme mit der Linearität. Kleine Fehler im digitalen Code führten zu harmonischen Verzerrungen. Ein 1-Bit-DAC weist solche Linearitätsprobleme nicht auf. Es ist entweder vollständig ein- oder vollständig ausgeschaltet. „Fast“ ist keine Option.
Diese Einfachheit bringt jedoch Kompromisse mit sich. Die Datengeschwindigkeit ist enorm. Eine Standard-CD-Audiodatei benötigt etwa 10 MB pro Minute. DSD-Dateien gleicher Qualität sind über 400 MB groß. Aus diesem Grund ist es nicht in den Standardeinstellungen von Spotify oder Apple Music enthalten. Es ist sehr schwer. Die Verarbeitung ist komplex.
Audiophile betrachten die Klangeigenschaften jedoch wie folgt.
Werfen wir einen Blick auf den Wellenformvergleich. Die blaue Linie sieht im Vergleich zur ursprünglichen roten Linie unordentlich aus. Details verschwinden. Die Reproduktionen sind ungleichmäßig, ungenau und weisen offensichtliche Mängel auf. Dies ist ein echter Stichprobenfehler. Das ist der Unterschied zwischen dem, wie die analoge Welt tatsächlich klingt, und dem, was digitale Systeme aufnehmen. Du kannst es nicht ignorieren. Dieses Problem muss durch die Erhöhung zweier Faktoren gelöst werden: Abtastfrequenz und Genauigkeit.
Genauigkeitslücke beheben
Die bisherigen Versuche waren zu grob. Für bessere Ergebnisse sollten Geschwindigkeit und Genauigkeit verdoppelt werden. Das bedeutet, dass sich die Anzahl der Messungen pro Sekunde verdoppelt und die Anzahl der für die Messung zur Verfügung stehenden Schritte verdoppelt.
In diesem aktualisierten Szenario erfasst das System die Amplitude bei 20 Abstufungen. Dies geschieht mit einer Rate von 2.000 Samples pro Sekunde. Dies ist ein bedeutender Fortschritt gegenüber dem Versuch mit geringerer Wiedergabetreue. Die blaue Linie ist jetzt enger mit der roten Linie verbunden. Die gezackten Kanten werden glatter. Der Ausdruck kommt der Realität näher.
Höhere Abtastrate und höhere Bittiefe reduzieren Fehler zwischen analoger Quelle und digitaler Kopie.
Warum dies für alltägliches Audio wichtig ist
Man könnte meinen, das sei nur eine Theorie. Das ist nicht wahr. Jedes Mal, wenn Sie ein Lied abspielen oder eine Sprachnotiz aufzeichnen, kämpft Ihr Gerät mit demselben Kampf. Wenn die Abtastrate zu niedrig ist, wird der Ton verzerrt. Hohe Frequenzen gehen verloren. Die Musik klingt matschig oder metallisch. Genauigkeit ist ebenfalls wichtig. Ohne genügend Farbverläufe (Bits) verschwinden die leisen Details in Stille oder Rauschen.
Durch die Verdoppelung der Geschwindigkeit auf 2.000 Samples pro Sekunde können Sie mehr Wellenformen erfassen. Eine Erhöhung des Pegels auf 20 ermöglicht eine feinere Volumentrennung. Das Ergebnis ist ein Signal, das sich eher wie eine Live-Performance anfühlt. Es ist noch nicht perfekt. Aber es ist näher.
Die rote Linie ist immer noch ideal. Die blaue Linie ist die beste Näherung. Durch die Verwendung von mehr Datenpunkten und präziseren Schritten wird die Anpassung verbessert. Der Unterschied wird kleiner. Aber wenn Sie nicht über unendliche Ressourcen verfügen, verschwindet es nie wirklich. Das ist der Kompromiss. Mehr Daten erfordern mehr Speicher und Rechenleistung. Weniger Daten sparen Platz, verringern aber die Genauigkeit. Sie müssen entscheiden, wo die Grenze gezogen werden soll.
Interessante Dinge passieren, wenn Sie die Abtastrate und Auflösung erhöhen. Ein Blick auf das Diagramm zeigt, dass sich Geschwindigkeit und Genauigkeit auf 40 Stufen bei 4.000 Abtastungen pro Sekunde verdoppelt haben. Bessere Wiedergabetreue. Die Ausgangswellenform beginnt, wie das Originalsignal auszusehen. Für CDs liegt der Standard bei 44.100 Samples pro Sekunde (44,1 KHz) mit 65.536 Abstufungen (16 Bit). Bei diesem Pegel stimmt der DAC-Ausgang so genau mit der Wellenform überein, dass er für das menschliche Ohr „perfekt“ klingt.
Doch Hardware kann schnell teuer werden.
Herkömmliche DACs verwenden für jedes Bit unterschiedliche Widerstände. Ein 4-Bit-DAC erfordert vier parallel geschaltete Widerstände. Der Wechsel zu 16-Bit oder 32-Bit erfordert genügend Widerstand, um 65.536 Abstufungen zu bewältigen. Die exakte Einhaltung dieser Werte ist für Hersteller ein Albtraum.
Die Ein-Bit-Dual-D/A-Wandler lösen dieses Problem, indem sie die Widerstandsbank vollständig umgehen. Parallelwiderstände werden nicht verwendet. Stattdessen wird ein moduliertes Signal basierend auf den digitalen Daten erzeugt. Dieser Prozess basiert auf Noise Shaping.
Warum Noise Shaping funktioniert
Das menschliche Gehör hat seine Grenzen. Am empfindlichsten reagieren wir auf Rauschen um 5 kHz. Bis 20 KHz kaum wahrnehmbar. Durch die Rauschformung werden Quantisierungsfehler (Rauschen) in höhere Frequenzen verschoben, sodass sie nicht mehr hörbar sind. DACs erzeugen stabile analoge Signale, ohne dass Hunderte von Präzisionskomponenten erforderlich sind.
Rolle des Delta-Sigma-Modulators
Der Delta-Sigma-Modulator ist das Herzstück dieses Konverters. Nimmt ein binäres Signal (1en und 0en) von einer CD und wandelt es in eine Impulsfolge um. Das ist mehr als nur Streaming. Die Impulsfolge enthält die durchschnittliche Energieänderung jeder Probe.
Burst-Wellenformen werden mit einer sehr hohen Frequenz getaktet. Über 44,1 kHz Abtastrate. Diese Überabtastung ist wichtig. Als nächstes entfernt ein Tiefpassfilter die Zeitbereichsinformationen. Gibt lediglich die durchschnittliche Energie der Impulsfolge zurück. Das Ergebnis wird dem DAC zugeführt und ein analoges Signal gesendet.
Wie der Stromkreis zusammenbricht
Die Delta-Sigma-Schaltung besteht aus zwei verschiedenen Teilen.
- Delta überwacht das eingehende digitale Signal und die ausgehende Impulsfolge. Berechnen Sie anhand der Differenz zwischen beiden das Fehlersignal.
- Sigma fasst das Ergebnis dieses Fehlersignals zusammen. Diese Summe wird an den Tiefpassfilter gesendet.
Der Tiefpassfilter verwendet das Fehlersignal, um den Analogausgang zu mitteln. Durch winzige Anpassungen werden die Lücken zwischen dem Binäreingang und dem Impulsfolgenausgang ausgeglichen. Das Ergebnis ist glatt.
Ergebnisse
Erhalten Sie hochwertigen Sound mit einfacher Hardware. Die 65.536 Widerstände müssen nicht angepasst werden. Der Lärm wird aus dem hörbaren Bereich verdrängt. Der Zuhörer hört Musik, keine Mathematik.
Dieser Ansatz verändert die Art und Weise, wie Audiogeräte gebaut werden. Verlagern Sie Komplexität von analoger Präzision auf digitale Verarbeitung. Der Kompromiss ist die Rechenleistung. Aber für die meisten Hörer lohnt sich der Kompromiss.
Die Technologie hinter diesen Konvertern ist sehr aufwendig. Detaillierte Diagramme und Anleitungen sind online verfügbar. Wenn Sie mehr erfahren möchten, schauen Sie sich Delta Sigma Modulation und Adaptive Delta Modulation an. Die Mathematik ist kompliziert. Das Ergebnis ist einfach. Der Ton ist klar.
Sie fragen sich immer noch, wie sich dies auf Ihr alltägliches Hörvermögen auswirkt? Der Unterschied zwischen billigen DACs und High-End-DACs besteht oft in ihrer Fähigkeit, Rauschformung zu bewältigen. Es sind nicht nur Bits und Samples. Es geht darum, wie Maschinen ihre Fehler verbergen.
